第一章 测量技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章 测量技术,1-,1,测量的基本概念,一、基本概念,现在学习过程中，以及在以后的工作过程中，都会或多或少的用到或碰到有关测量的名词：如测量、测试、检测、检验、检定、比对等等。这些概念既有相近的含义，但又有所区别，分别适用于不同的场合，都是计量学所表现的具体方式。,计量学的定义：计量学是关于测量的科学。是研究测量，保证量值统一和准确的一门科学。,具体来说，计量学研究的内容有：,1,、计量单位及基准，,2,、标准的建立、保存和使用，,3,、测量方法和计量器具，,4,、测量不确定度，,5,、观测者进行测量的能力以及计量法制和管理等。,6,、计量学也包括研究物理常数和物质标准，材料特性的准确测定。,由计量学的定义和内容可以看出，其表现的主要方式是测量。下面给出测量的定义：,测量是以确定量值为目的的一组操作，也就是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。,在计量工作中还常用以下名词：,测试：,是指具有试验性质的测量。也可理解为试验和测量的全过程。也称为检测。,检验：,是判断被测物理量是否合格,(,是否在规定范围内,),的过程，通常不一定要求测出具体值。因此检验也可理解为不要求知道具体值的测量。检验的主要对象是,工件,。,检定：,为评定计量器具是否符合法定要求所进行的全部工作，它包括检查、加标记和出具检定证书。检定的主要对象是,计量器具,。,比对：,在规定的条件下，对相同不确定度等级的同类基准、标准或工作用计量器具之间的量值进行比较的过程。,二、测量过程,从上面可知，测量是为确定被测对象的量值而进行实验的过程。更具体地说，就是将被测量与一个作为测量单位的标准量进行比较，以求其比值的过程。测量过程可以用一个基本公式来表示，即,式中,L,被测量，在长度测量中指被测长度,u,标准量，在长度测量中是长度单位,K,比值,上式被称为测量的基本方程式。这说明什么问题呢？这说明被测值,L,等于所采用的长度单位,u,与测量比值,K,的乘积。例如,u,为,mm,，,K=50,，则被测长度为,50mm,。,一个完整的测量过程应由下述四部分组成，即测量过程的四要素。,(1),被测对象和被测量,被测对象是指被测物的实体，如轴类零件、箱体、螺纹、齿轮等。被测量是指被测对象的几何参数，如长、宽、高、厚度、深度，轴径、孔径、几何形状与相互位置、表面粗糙度、渐开线齿形，等等。,(2),测量单位和标准量,测量单位是有明确定义和名称并命其数值为,1,的一个固定的量。在同类量的不同单位之间，必定存在固定的换算关系。例如长度可以有很多种单位，如米、厘米、毫米、微米等。这些单位间都有一定的换算关系。我国的长度单位采用国际单位制中的基本单位之一“米”，其符号为“,m”,，其余十进制倍数单位与分数单位是在“,m”,之前加词头构成。,在测量过程中，测量单位是以物质形式,(,测量器具,),来体现，能体现测量单位和标准量的物质形式有，精密量块、游标卡尺、光学计等。,(3),测量方法,测量方法是指在测量过程中所涉及到的测量原理、测量器具、测量环境条件等项环节的总和，或者说是被测量与标准量进行比较的各组成因素及测量环境条件的总和。,(4),测量不确定度,(,测量结果的准确度,),测量结果的准确度也称测量结果的精确度，即指测量结果的可靠程度，常以测量误差的表征参数“不确定度”来反映。它是评价测量方法优劣的指标之一。,应当指出，在实际测量中，不能片面地追求测量结果的准确度；因为盲目地提高准确度要付出很大的代价，因此应根据被测量准确度的要求，拟定相适应的测量方法，达到准确度和经济性的统一。,由于在测量过程中不可避免地总会存在或大或小的测量误差，使测量结果的可靠程度受到一定的影响。测量误差大，则测量结果的可靠性低；测量误差小，则测量结果的可靠性高。因此，不知道测量不确定度的测量结果是没有意义的。所以，对每一测量结果，特别是精密测量，都应给出测量不确定度。,几何量的种类繁多，一般从不同的角度出发，有各种不同的分类方法。,1,、按照测量过程中是否接触分为：,(1),接触式：测量过程中容易对被测对象产生干扰；,(2),非接触式：测量过程中不对被测对象产生干扰，但是容易受到外界因素的干扰。,接触式测量,非接触式测量 例：雷达测速,车载电子警察,接触测量,测量器具的测头与零件被测表面接触后有机械作用力的测量。如用外径千分尺、游标卡尺测量零件等。为了保证接触的可靠性，测量力是必要的，但它可能使测量器具及被测件发生变形而产生测量误差，还可能造成对零件被测表面质量的损坏。,非接触测量,测量器具的感应元件与被测零件表面不直接接触，因而不存在机械作用的测量力。属于非接触测量的仪器主要是利用光、气、电、磁等作为感应元件与被测件表面联系。如干涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪等。,2,、按被测工件在测量时所处状态分类,静态测量,测量时被测件表面与测量器具测头处于静止状态。例如用外径千分尺测量轴径、用齿距仪测量齿轮齿距等。,动态测量,测量时被测零件表面与测量器具测头处于相对运动状态，或测量过程是模拟零件在工作或加工时的运动状态，它能反映生产过程中被测参数的变化过程。例如用激光比长仪测量精密线纹尺，用电动轮廓仪测量表面粗糙度等。,静态测量,对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。,最高、最低,温度计,动态测量,地震测量,振动波形,3,、按测量方法分类,测量的基本概念是把一个未知的被测量和一个已知的标准量相比较，按照比较的方法可分为两类，即直接测量法和间接测量法。,即,(1),直接测量,(2),间接测量,直接测量,电子卡尺,对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量,间接测量,间接测量,举例,例如用“弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径，由弦长,S,与弦高,H,的测量结果，可求得直径,D,的实际值，如图所示。由图可得,对上式微分后，得到测量结果,的测量误差为,式中,dS,弦长,S,的测量误差,dH,弦高,H,的测量误差。,离线测量,产品质量检验,4,、按照测量过程是否在生产现场分为：,(1),离线测量,(2),在线测量,在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。,在线测量,5,、按测量结果的读数值不同分类,绝对测量,从测量器具上直接得到被测参数的整个量值的测量。例如用游标卡尺测量零件轴径值。,相对测量,将被测量和与其量值只有微小差别的同一种已知量（一般为测量标准量）相比较，得到被测量与已知量的相对偏差。例如比较仪用量块调零后，测量轴的直径，比较仪的示值就是量块与轴径的量值之差。,6,、按测量在工艺过程中所起作用分类,主动测量,在加工过程中进行的测量。其测量结果直接用来控制零件的加工过程，决定是否继续加工或判断工艺过程是否正常、是否需要进行调整，故能及时防止废品的发生，所以又称为积极测量。,被动测量,加工完成后进行的测量。其结果仅用于发现并剔除废品，所以被动测量又称消极测量。,7,、按零件上同时被测参数的多少分类,单项测量,单独地、彼此没有联系地测量零件的单项参数。如分别测量齿轮的齿厚、齿形、齿距等。这种方法一般用于量规的检定、工序间的测量，或为了工艺分析、调整机床等目的。,综合测量,检测零件几个相关参数的综合效应或综合参数，从而综合判断零件的合格性。例如齿轮运动误差的综合测量、用螺纹量规检验螺纹的作用中径等。综合测量一般用于终结检验，其测量效率高，能有效保证互换性，在大批量生产中应用广泛。,8,、按测量中测量因素是否变化分类,等精度测量,在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件不变。例如，由同一个人，用同一台仪器，在同样的环境中，以同样方法，同样仔细地测量同一个量。在一般情况下，为了简化测量结果的处理，大都采用等精度测量。实际上，绝对的等精度测量是做不到的。,不等精度测量,在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件可能完全改变或部分改变。由于不等精度测量的数据处理比较麻烦，因此一般用于重要的科研实验中的高精度测量。,1-,2,拟定测量方法时应考虑的问题,测量方法是测量过程的四要素之一，同时它也是测量过程的核心部分。下面介绍在拟定测量方法时应重点考虑的几个问题：,一、两个重要的测量原则,在几何量测量中，有两个重要的原则，即长度测量中的阿贝原则和圆周分度测量的封闭原则。,1,、阿贝测长原则,在长度测量中，测量过程就是将被测工件的尺寸与作为标准量的线纹尺、量块等的尺寸进行比较的过程：由于在测量时，测量装置需要移动，而移动方向的正确性通常由导轨来保证：由于导轨制造和安装等误差，使测量装置在移动过程中产生方向偏差。为了减小这种方向偏差对测量结果的影响，,1890,年德国人艾恩斯特,阿贝,(Ernst Abbe),提出了以下指导性的原则：,“将被测物与标准尺沿测量轴线成直线排列”。,这就是阿贝测长原则，意即被测尺寸与作为标准的尺寸应在同一条直线上，即按串联的形式排列。,标准量与被测尺寸有两种排列方案：串联和并联。比较如下，通过比较说明为什么采用串联排列形式。,(1),并联排列形式,以书中的图,1-1,所示的线纹尺比长仪为例，标准尺和被测尺相距,s,平行放置。,（线纹尺的概念：线纹尺是一种具有等分刻度的多值量具，是以任意两条刻线间的垂直距离作为长度的高精度基很器和标准器的。它是人类使用最早的古老的量具之一，在现代科学技术和工业生产中更是不可缺少的器具之一。）,图,1,1,并联排列方式,在理想情况下如果在两尺上方位于立柱横臂上的两个显微镜是刚性连接，且沿纵向导轨自位置,I,移至位置,II,与两尺保持平行移动时。是不会产生误差的；但在实际上，由于工艺等原因不可避免地位导轨存在直线度误差，这就使显微镜在,II,处产生了偏斜，以角表示，则由此产生的测量误差为,此误差为一次方的误差，即误差与,s,和,成正比。为减小此项误差，可以缩短,s,值，但往往受到结构上的限制，因此主要应使,值减小，这就对导轨制造提出了更高的要求，导致仪器成本的增加。,(2),串联排列形式,将标准尺和被测尺串联地放置在同一定线上，如图所示。设显微镜架自位置,I,移至位置,II,时也产：生了,角的偏斜，此时所产生的测量误差为,式中,L,为两显微镜的间距。,按照泰勒级数展开 由于,角很小，所以只取前两项，得到：,假设：,则有,可见，由于该项误差是二次方的误差，当,角很小时，可以忽略不计。,说明在拟订测量方案时，如能符合阿贝原则，则此项误差的影响就很小。换句话说，在允许相同的测量误差的情况下，串联方案对仪器导轨的要求相对可以有所降低，因而降低仪器的制造成本。,它的缺点是仪器导轨较长，一般为被测长度的,1.5,倍，这样对大尺寸的测量是很不利的。因此在某些情况下有时也不得不违背阿贝原则而采用并联布置方案，但必须设法采取措施，以补偿或抵消一次方误差造成的影响。,2,、圆周封闭原则,在圆周分度器件,(,如刻度盘、圆柱齿轮等,),的测量中，利用在同一圆周上所有分度夹角之和等于,360,，亦即所有夹角误差之和等于零的这一自然封闭特性，在没有更高精度的圆分度基准器件的情况下，采用“自检法”也能达到高精度测量的目的。,下面就以方形角尺垂直度检定的两种方案比较来说明。,（,1,）用高精度直角尺进行比较测量,如图,1-3,所示，,D,为被检定的方形角尺，,C,为高精度直角尺。在测量时先将两指示器,A,和,B,用直角尺,C,调至零位，这样,A,、,B,两点的连线与平板定位基准面间就建立了一个直角基准，如图,1-3(a),所示。图,1-3(b),所示为依次与方形角尺,D,的各角相比较，就可得到各角对,90,的偏差值。,此方案的测量精度不可能太高，因为标准直角尺本身的实际偏差直接反映在测量结果之中，如采用修正值，则虽然可以减小这一误差，但为了得到修正值，又需要更高精度的直角标准器，很不经济。,（,2,）自检法,把被检定的方形角尺垂直地放置在平板上，以角,1,的一个面为定位面，如图,1-4,所示。,用自准直仪对准角,1,的另一面，调整自准直仪，使其读数为零，即角,1,的读数,e,1,=0,，,然后以该,1,角为定角,(,用,表示，,注意,和,1,往往不是相等的,),和其他各角进行比较，测得相应的,e,2,e,3,e,4,，各被测角的实际值为,由于,i,和,中都含有,90,度值，将其减去便得到如下一组算式：,由此可见，因为方形角尺的四个直角形成封闭条件，所以在没有标准四方形体或直用尺的情况下，按封闭原则用自检法不仅可以测出各角的实际偏差，并能达到较高的精度。,因此封闭原则和阿贝原则一样，是测量中的一个重要的原则：凡能形成圆周封闭条件的场合均可应用，例如各种圆周分度器件，齿轮周节累积误差的测量等。,二、被测对象和被测量的特性,被测对象的特性包括其大小、形状、重量,、,材料、批量及精度要求等。在几何量的测量中，正由于被测对象是多种多样的，所以有种类繁多的测量方法。因此在拟定测量方法时，必须对被测对象的这些特性进行充分的研究和分析。,根据被测对象的尺寸、形状、重量等因素，对于一般中小尺寸工件，可放在仪器上测量，而大尺寸工件就应考虑将量仪放在工件上进行测量。根据工件材料的软硬程度，可决定是否采用接触式测量；根据被测工件的批量大小，可考虑是否需要设计专用测量装置。,根据各种几何特性所规定的定义来确定正确的测量方法，这是个很重要的前提，这对于复合几何量尤为重要，如齿轮的齿形、轴向齿距及丝杠的螺旋线测量等。,此外，在测量某一被测量时，除了首先要了解它本身的特点外，还须了解它和其他被测量的相互关系，并研究怎样才能避免其他量对该被测量在测量时的影响。,例如，对于圆柱形工件的半径或直径，理论上是单一值尺寸，但由于它必然有形状误差和表面粗糙度的影响，因而在圆周上各处的实际尺寸是变动的。如将它装在顶尖上用指示表连续一周地测其半径时，可能得到如图所示的复杂曲线。这说明除了直径这一主参数外，还存在其他次要参数的影响。,为消除上图所示的误差曲线中其他量的影响，用谐波分析法可将各项误差分离出来，通常第一阶波为偏心；第二阶波为椭圆度；第三阶波为棱圆度等各种影响。,也可从测量方法上消除，如图所示，当圆柱休在顶尖中测量时，如只用单测头测量轴的半径，则必然存在偏心影响。为消除偏心的影响，可采用双测头浮动原理，即浮动架,1,可在导轨,2,上浮动，而下测头在弹簧,3,的作用下始终与工件,4,保持接触。,这样，指示表,5,所得的总是直径的变化量，不受偏心的影响，而指示表,6,所得则为有偏心量影响的半径变动量，指示表,6,的最大最小读数之差即为偏心量的二倍。,因此可看出，为消除各被测量的相互影响，在拟定测量方法时必须认真考虑。,三、测量力的影响,1,、表面的接触变形,测量力是指测量时工件表面承受的测量压力。由于各种材料受力后都会产生压缩变形，这种变形量看起来不大，但在精密测量中，尤其对小尺寸零件就必须予以考虑。在检验标准中，规定了测量过程中应视测量力为零。如果测量力不为零，则应考虑由此而引起的误差，必要时应予以修正。,压缩变形量的大小与测量力的大小，以及两接触表面的形状、材料、表面粗糙度等有关。在不同的接触方式下，由测量力引起的变形计算公式如下：,(1),球对圆柱、球对球以及直径差较大的交错圆柱相接触，如图,1-7,所示。,计算公式为,表中的,K,值是对一个接触点而言的，例如当测头与零件的材料皆为钢时，用一个球测头测平面，则,K,1,=0.415,，若用两个球测头测平面或用两个平面测头测量球体，则,K,1,应乘以,2,等于,0.83,。当工件的两个面与测量头和台面接触情况不同时，则应分别计算。对于平面测平面，因其变形量很小，可忽略不计。,由上述两例可以看出，在精度高、直径小的情况下，该项误差不容忽视。,为了减小测量力的影响，可从以下两方面考虑,:,采用相对测量法，即利用条件相同的两次读数法,在这种情况下虽有变形，由于两次读数中相互补偿，故不影响测量结果：例如在三针法测量螺纹中，若能以一标准螺纹来对准，则测力影响便可忽略不计。但应注意只有当调整条件和测量条件完全一致时才能补偿。例如在立式光学计上用平面测头测钢球，若用量块对零点，这时是面接触，测力影响甚微，而测量时是点接触，显然条件不一致，所以不能完全补偿。,还应说明的是，采用相对测量法后，只能减小测量力的影响，而不能根本消除，因为还存在测力变化的影响。因此在考虑测量方案时，常要求仪器的测量力稳定，如采用重锤产生的测量力就比弹簧产生的力稳定。测力波动较大时，不宜用于测量跳动之类的参数，否则误差就增大。,减小测量力和改善对测量力有影响的因素,从变形计算公式来看，测力越大变形也越大，因此减小测量力是减小因测力的影响而产生误差的主要途径。此外，加大测头直径或选用平测头，也可减小此种影响。在卧式测长仪中采用电眼指示装置，可使测力接近于零。,2,、纵向变形和弯曲变形,一根长杆或一个大量块垂直放置时，由于自身重力的影响，也会使其长度变短。例如,L,1000mm,的大量块将产生,L,-0.2,m,的变形量，因此对于长的工件不宜垂直安置，而应水平安放。,水平安放时，,如果承放表面绝对平整，则可避免弯曲，否则只好采用水平支承的方法。不同的支承方法，重力的影响也不同。,四、测量环境,测量环境是指在测量时的外界条件，如温度、湿度、气压、振动、气流、灰尘、腐蚀气体等因素。随着测量精度的提高，对这些因素的控制也要求越严。,1,、温度误差,温度误差在环境影响中占首要地位，由于物体本身具有热胀冷缩的物理特性，因此在不同的温度条件下，被测工件的尺寸一也会不同。在大尺寸的精密测量中，温度的影响应作为主要的考虑因素。要精确测定工件尺寸，而没有指明温度条件，那是没有意义的。,我国规定的标准温度为,20,，即测量时的工件和量仪的温度均以,20,为准。但在实际中，无论是加工还是测量往往都不是,20,，因而产生一定的测量误差。这种误差可通过物理学公式计算出来，从而可对测量结果进行修正,，,上式一般只用于形状较简单的工件、标准件和量仪，对形状复杂的被测件和结构复杂的量仪，由于实际热胀冷缩的情况不是简单的线胀规律，无法进行可靠的误差修正。,因此，对精密测量都采用恒温措施，此时温度还允许在较小范围内波动，故仍将产生较小的有随机性质的测量误差。应按下式估算：,由公式可知，当被测工件的长度,L,一定时，随着两者的线膨胀系数之差和温度差的增大，其误差,L,也增大。下面以,L,1000mm,的工件为例，来比较不同情况下的,L,值。,产生温度差的原因主要是由对流、传导和辐射而引起的。由对流而引起的环境温度变化，如开门窗、人员进出、空调装置所供应的气流不均匀等。由传导而引起的误差最典型的是测量者用手拿工件和量具，身体靠着仪器等，例如直径为,175mm,的卡规，用手握,15 min,就会产生,L,+0.008m,m,的变化。因此，为消除手热的影响，在测量时不应用手直接接触工件，而要用木夹或戴上棉线手套拿工件。在高精度测量时更应该注意，例如对,L=24mm,的量块，用手指拿,30s,时，,L,+0.5,m,，如戴上橡皮手套，则,L,+0.2,m,，如对温差有更高要求时，还需做第二次定温。,辐射热的影响是指外界的热源，或者比周围介质温度高的物体，例如光学仪器的照明灯源，甚至阳光、采暖设备以及测量者的呵气等，对这些影响都应予以注意，并应采取必要的描施尽量减少或避免。,2,、其他环境因素的影响,除温度这一主要因素外，还应注意下列因素的影响：,室内的相对湿度应控制在,50%,60%,范围以内；应避免外界振动产生的影响，例如计量室应有防振措施，使仪器远离振源,(,大功率电动机等,),，仪器下垫以厚橡皮等。,此外，为了保持仪器的工作精度，还应注意防尘和防腐蚀气体等。,上述诸因素，只能根据不同测量精度要求控制在一定的变动范围以内，但在现代高精度测量中往往还不能满足要求。例如在激光光波干涉测长仪中，由于波长,受空气折射率,n,的影响，而,n,又受气压、温度、湿度的影响，为了使这些因素的影响最小，人们在连续自动测量中，对它们也进行了实时的控制和测量，并通过计算机处理对测量结果直接进行修正。,一、测量不确定度的定义,不确定度,(uncertainty),指不能肯定或有怀疑的程度。测量不确定度是指对测量结果,(,复现量,),的不能肯定的程度。它反映了对被测量的“真值”的认识的不足。经测量，合理地赋予被测量的值不是唯一的，而是有许多个可能的值。“真值”在何处并不知道，而只可能获知一个最佳估计值，而“真值”是在最佳估计值的一个不确定度范围内。这与人们对现实世界的认识程度相一致。测量不确定度的大小，反映了测量者对被测量的认识的程度，是一个可操作性的定义。不确定度小，误差肯定也小，但误差不可准确知道,;,不确定度大，误差或大或小，限于认识水平，误差尚不清楚。不确定度的大小决定了测量结果的使用价值，成为表征测量的一个重要的质量指标。,1-,3,测量不确定度,测量不确定度,(uncertainty of a measurement),：表征合理赋予被测量之值的分散性，并与测量结果相联系的参数。,这个参数是一个表示测量结果的质量指标，它可用标准差或其倍数表示，它是置信区间半宽度。,所谓“合理”，是指测量在重复性条件下进行的，即测量处于随机控制的过程中，并对影响测量的某些因素做了修正,(,一般是指系统修正,),。它与测量结果联系在一起，即在测量结果的完整表述中，应包括测量不确定度。,二、测量不确定度的意义,由于测量误差客观存在，故测量结果在不同程度上偏离真值，测量误差是测得值与真值之差。然而真值一般是不可知的，因此，误差和误差分析的方法并不是在所有场合都容易做到定量表述或便于操作，特别是在对测量精度要求越来越高的场合。因此，人们一直在追求以某种最佳方式估计被测量的值，并客观评价其测量的可靠程度，即所谓的测量精度如何。测量不确定度是表征测量结果的一个容易定量，并便于操作的质量指标，它的大小决定了测量结果的使用价值。测量不确定度愈小，测量结果对真值愈接近，其质量愈高，其使用价值也愈高；反之，测量不确定度愈大，测量结果对真值愈“远离”，其质量愈低，使用价值也愈低。因此，当给出的测量结果附有不确定度的说明时才是完整和有意义的。,二、测量不确定度的来源,被测量的定义不完全,;,被测量的复现不理想,;,测量样本的代表性,;,环境条件的影响,;,人员读数偏差,;,仪器分辨力的限制,;,测量标准赋值的不准确,;,引用常数或参数的不准确,;,测量方法的近似,;,各种随机影响,(,误差,);,修正系统误差的不完善,;,不明显的粗大误差。,以上来源可以分别归为,设备、方法、环境、人员带来的不确定性误差，以及被测量定义、复现和抽样的不确定性,。,